(57)【要約】【課題】  本発明が解決しようとする問題点は、ＦＢＧを１本の光ファイバーに複数個配置したＯＦＤＲ方式による光ファイバー歪計測において、特定領域の歪みを連続情報として計測できる手段を提供すると共に、複数のＦＢＧ歪み計測部のデータの同時処理を可能とし、更には特定領域の連続した歪み情報が得られる解析法を提示することにある。【解決手段】    本発明のＯＦＤＲ式歪み計測装置におけるデータ解析方法は、レーザー光源の波長を変化させ、ＦＢＧからの反射光強度を検出し、横軸に波長を縦軸に反射光強度をプロットしたものに対し微小波長の区分毎のデータを抜き出して光源の波長に対応する時間毎の離散フーリエ変換を行い、時間に依存した周波数解析を行うことにより、ＦＢＧの位置を表すスペクトログラムを得る。【選択図】    図８
2005147900.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバーのコア内に周期的な屈折率構造をもたせたＦＢＧを１本の光ファイバーの所定位置に連続的に配置して、光の干渉強度の周期的変化を利用して当該ＦＢＧセンサーの位置を特定すると共に、その反射光中心波長の変化量からＦＢＧが存在する区間の歪みや温度を連続して計測するＯＦＤＲ方式の光ファイバー歪み計測装置。
【請求項２】
光ファイバーのコア内に周期的な屈折率構造をもたせたＦＢＧを１本の光ファイバーの所定位置に連続的及び複数個離散的に配置して、光の干渉強度の周期的変化を利用して当該ＦＢＧセンサーの位置を特定すると共に、その反射光中心波長の変化量からＦＢＧが存在する区間及び位置の歪みや温度を連続して計測するＯＦＤＲ方式の光ファイバー歪み計測装置。
【請求項３】
レーザー光源の波長を変化させ、ＦＢＧからの反射光強度を検出し、横軸に波長を縦軸に反射光強度をプロットしたものに対し微小波長の区分毎のデータを抜き出して光源の波長に対応する時間毎の離散フーリエ変換を行い、時間に依存した周波数解析を行うことにより、周波数すなわち、ＦＢＧの位置を表すスペクトログラムを得、各ＦＢＧからの反射光強度が最大になる波長の変化量をモニタリングして、各ＦＢＧ部での歪み量を求めることを特徴とするＯＦＤＲ式歪み計測装置におけるデータ解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Fiber Bragg Grating (ＦＢＧ)を１本の光ファイバーに複数個配置したOpticalFrequency Domain Reflectometry(ＯＦＤＲ)方式による光ファイバー歪計測技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ埋め込み型のセンサーは、その軽量性、強度、小さなサイズそして柔軟性より、スマート構造・材料への適用が期待されるものである。その適用先としては、航空・字宙機器の健全性評価、大型人工衛星等の柔軟構造物の振動計測などが考えられる。
これまで光ファイバを用いたセンサー系としては様々なものが提案されている。その一つBrillouinOptical Time Dcmain Reflectometry(ＢＯＴＤＲ)方式では、光ファイバ内の歪み・温度に依存して光周波数が変化するBrillouin散乱光を検出し、光ファイバに沿った連続的な計測を行うことが可能である。また、光ファイバのコア内に周期的な屈折率構造を持たせたFiberBragg Grating (ＦＢＧ)を、１本の光ファイバに複数個配置し、ＦＢＧが存在する位置の歪み、温度を計測するシステムもある。このような中で、本発明者らが注目したのはOpticalFrequency Domain Reflectometry(ＯＦＤＲ)を使用したシステムである。（非特許文献１参照）
【０００３】
本発明の基礎となるこのＯＦＤＲによる歪計測手法の原理についてまず説明しておく。光ファイバ多点歪み計測において、問題になるのは、計測点の位置と歪みを、如何に特定するかという点である。ここでは、簡単な１個のＦＢＧを有するＯＦＤＲ光ファイバセンサ系を例に挙げ、センサ位置と歪みがその反射特性に与える影響を示す。
最初に、光ファイバセンサー系の反射特性についてであるが、波長可変型レーザ光源（ＶＳ）、光強度ディテクタ（Ｄ）、全反射終端（Ｒ）、及びＦＢＧセンサー（ＦＢＧ）を図９に示すように配置して光ファイバで結線する。波長可変型光源から入射されたある波長を持ったレーザー光は、カプラ（Ｃ）で分岐され、反射終端及びＦＢＧセンサー部で反射し、その後カプラで再び合成され、ディテクタでその強度が検出される。ＦＢＧからの反射光は、ある波長の光のみを強く反射するため、横軸を光波数ｋとその反射光強度の関係は、図９下段右のような形となる。また、ピークを示す光波数ｋの値は、ＦＢＧの特性に基づき当該ＦＢＧ部での歪みの大きさに依存して変化する。ここで、光波数ｋと波長λの値は以下の関係を有する。
ｋ＝２π／λ            (１)
一方、ＦＢＧからの反射光と全反射終端Ｒからの反射光は光路差２Ｌを有するので、光ファイバの屈折率をｎとするとその光には２ｎＬの位相差が生じ、合成された光信号は以下に示すように、光波数ｋに依存して正弦関数的に変化する。全反射終端Ｒからの反射光とＦＢＧからの反射光の光強度が等しかったとすると次式のように
Ａｍｐ＿ＩＴＦ＝ＡCOS(２ｎＬｋ）        (２)
すなわち、この関係は図９下段中央に示すようになる。
前述した二つの作用により、ディテクタで検出される光強度は、光波数ｋに対して図９下段左に示すように、ある周期とピークを持った形で変化するものとなる。この周期から行路差２ＬつまりＦＢＧセンサーの位置を、ピークを示す光波数ｋの値から歪みの値を推定することが可能となる。
ＦＢＧが複数個存在する場合においても、それぞれのＦＢＧに対応して光路差が異なるため、その光路差に依存する周波数に着目することによりそれぞれのＦＢＧの位置が決定され、またそれぞれピークを示す光波数を求めることにより各ＦＢＧでの否みの値を決定することができる。
【０００４】
本発明者らは、これまでＯＦＤＲを用いた多点歪み計測装置を製作し、データ解析手法の改良を行ってきた。本願より先に特許出願をしている特願２００２−３７５３０２号「ＯＦＤＲ方式の多点歪計測装置」の発明もその過程で生まれた。この発明は、ＯＦＤＲを用いた多点歪み計測システムにおいて、データ解析手法の改善を行い、計測のリアルタイム性、応答速度の向上を目指すことを目的としたもので、光ファイバーのコア内に周期的な屈折率構造を持たせたＦＢＧを１本の光ファイバーに複数個配置して、光の干渉強度の周期的変化を利用する測定方式（ＯＦＤＲ）において、検出光信号を予め帯域を設定したバンドパスフィルターを介することにより、特定位置のＦＢＧからの信号を瞬時に分離する機能をもたせたことを特徴とする多点歪計測装置である。（非特許文献２参照）
しかし、従来システムの計測方式ではＦＢＧは個別のものがファイバー上に分離して（離散的に）複数配置されることが前提であり、歪みを測定できる箇所もファイバー上の部分部分でしかなかった。また、従来の解析法は個別のＦＢＧからの検出信号を取り出すために反射特性に基づく分別処理を行わなければならず、その解析アルゴリズムも単純なものとはいえなかった。
【非特許文献１】Brooks A.Childers and etc.,“Use of 3000 Bragg Grating Strain SensorsDistributed on Four Eight-Meter Optical Fibers During Static Load Tests of aComposite Structure”, SPIE's 8thInternational Symposium on Smart Structures and Materials, Newport Beach,California, March 4-8,2001
【非特許文献２】井川他３名  “OFDRを用いた光ファイバ多点歪み計測システムの開発”  第44回構造強度に関する講演会講演集、平成１４年７月２４〜２６日
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする問題点は、ＦＢＧを１本の光ファイバーに複数個配置したＯＦＤＲ方式による光ファイバー歪計測において、特定領域の歪みを連続情報として計測できる手段を提供すると共に、複数のＦＢＧ歪み計測部のデータの同時処理を可能とし、更には特定領域の連続した歪み情報が得られる解析法を提示することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のＯＦＤＲ方式の光ファイバー歪み計測装置は、光ファイバーのコア内に周期的な屈折率構造をもたせたＦＢＧを１本の光ファイバーの所定位置に連続的に配置するようにした。また、本発明のＯＦＤＲ方式の光ファイバー歪み計測装置は、光ファイバーのコア内に周期的な屈折率構造をもたせたＦＢＧを１本の光ファイバーの所定位置に連続的及び複数個離散的に配置するようにした。
本発明のＯＦＤＲ式歪み計測装置におけるデータ解析方法は、レーザー光源の波長を変化させ、ＦＢＧからの反射光強度を検出し、横軸に波長を縦軸に反射光強度をプロットしたものに対し微小波長の区分毎のデータを抜き出して光源の波長に対応する時間毎の離散フーリエ変換を行い、時間に依存した周波数解析を行うことにより、周波数すなわち、ＦＢＧの位置を表すスペクトログラムを得、各ＦＢＧからの反射光強度が最大になる波長の変化量をモニタリングして、各ＦＢＧ部での歪み量を求める。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のＯＦＤＲ方式の光ファイバー歪み計測装置は、光ファイバーのコア内に周期的な屈折率構造をもたせたＦＢＧを１本の光ファイバーの所定位置に連続的に配置したものであるから、光の干渉強度の周期的変化を利用して当該ＦＢＧセンサーの位置を特定すると共に、その反射光中心波長の変化量からＦＢＧが存在する区間の歪みや温度を連続して計測することを可能とした。
また、本発明のＯＦＤＲ方式の光ファイバー歪み計測装置は、光ファイバーのコア内に周期的な屈折率構造をもたせたＦＢＧを１本の光ファイバーの所定位置に連続的及び複数個離散的に配置したものであるから、構造体の所望箇所にＦＢＧを配置することにより該ＦＢＧが存在する区間及び位置の歪みや温度を連続して計測することができる。
【０００８】
本発明のＯＦＤＲ式歪み計測装置におけるデータ解析方法は、レーザー光源の波長を変化させ、ＦＢＧからの反射光強度を検出し、横軸に波長を縦軸に反射光強度をプロットしたものに対し微小波長の区分毎のデータを抜き出して光源の波長に対応する時間毎の離散フーリエ変換を行い、時間に依存した周波数解析を行うことにより、ＦＢＧの位置を表すスペクトログラムを得るものであるから、各ＦＢＧからの反射光強度が最大になる波長の変化量をモニタリングして、各ＦＢＧ部での歪み量を求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
初めに、５個のＦＢＧを配置した光ファイバーの反射光強度計測結果の一例を図１に示す。横軸は波長可変光源の波長、縦軸はディテクタで計測された反射光強度を示す。前述したように、行路差は周波数として表現される。計測された波形は、５個のＦＢＧの位置、つまり行路差が異なるので、周波数の異なる５個の波の重ね合わせ形となっているものと考えられる。
この反射光強度計測結果に対しスペクトログラム解析を適用する。この解析は、まず、レーザー光源の波長を連続的に変化させ、各波長における反射光強度を計測してデータを蓄積する。次に、図１に示すようにレーザー光源の波長を横軸に、反射光強度を縦軸とした座標にこの計測結果をプロットする。続いて、このグラフに対しスライディングウィンドウを適用し時間毎の離散フーリエ変換を行う。本発明の最終的なスペクトログラムにおいては、時間は光源の波長を、縦軸のフーリエ変換における周波数は反射面（ＦＢＧ）の位置を、そして強度（濃度）は各波長・各反射位置における反射光強度を表すものとなる。このスペクトログラム解析結果を図２に示す。このグラフから、５個のＦＢＧがおよそ３０ｍｍ間隔配置されていることが分かる。さらに、各ＦＢＧからの反射光強度が最大になる波長がそれぞれ異なっていることも観察される。この反射光強度が最大となる波長の変化量をモニタリングすれば、各ＦＢＧ部での歪み量を求めることが可能となる。
また、ＦＢＧ部の長さが比較的短い場合の結果をここでは示したが、センサー部が長いＦＢＧを使用した場合においても、同様の解析手法で連続的な歪み分布の計測が可能である。
【００１０】
製作した光ファイバセンサー系の計測システム構成図を図３に示した。波長可変光源のコントロール及びＡ／Ｄコンバーターを経由したデータ取得は、１台のパソコンで行う。また、光学系は大きく３つの光学干渉器からなる。
第一の干渉器は図３の上部に相当する。前節に述べたディジタル的なデータ処理を行うためには、一定間隔の光波数毎の計測を行う必要がある。第一の干渉器はこのために使用される。ディテクタＤ１で計測される光強度は、次式のように表される光波数間隔Δｋで周期的に変化する。
Δｋ＝π／ｎＬ            (３)
周期的に変化するディテクタＤ１での光強度をトリガーとして使用して、ＦＢＧからの反射光の強度をディテクタＤ２，Ｄ３で計測する。
第二の光学干渉器は図３の中部に相当する。この光学干渉器に取付けられているＦＢＧが歪み計測を行うセンサー部となる。反射面Ｒ３とＦＢＧセンサー部の行路差が、前述した周波数として観測され、それを基にセンサー位置を特定する。
第三の光学干渉器は図３の下部に相当し、ここには波長の基準となる参照ＦＢＧが存在する。歪みの計測には、波長の変化量をモニタリングすることになるが、そのためには正確な波長が必要となる。しかし、波長可変光源の波長出力値は十分な精度を持っていない。そこで、今回の計測装置では参照ＦＢＧを別に用意し、その反射光強度が最大となる波長を基準として、センサーＦＢＧの反射波長の変化量をモニタリングすることとした。
【００１１】
ＯＦＲＤを用いた本計測手法の妥当性を検証するために、２種類のＦＢＧセンサーを試作しそれを用いて評価試験を行った。１つはゲージ長６ｍｍのＦＢＧを３０ｍｍ間隔で５個配置したセンサーであり、もう１つはゲージ長１００ｍｍのＦＢＧを用いたセンサーである。以下にその計測結果を示していく。
初めに、長方形のアルミニウム板にＦＢＧセンサー及び歪みゲージを接着し５連ＦＢＧセンサーを作り、試験片の両端に力を掛けて引張り試験を行い、一定の歪みを与えた。こうして得られた歪みゲージ出力値と各ＦＢＧの反射光波長変化量の関係を図４に示す。歪みゲージ出力と波長変化量は非常に良い線形関係を持っていることが分る。最小２乗法を適用すると、感度係数は0.816[με/ｐｍ]となる。以降示すＦＢＧによる歪み計測結果は、この感度係数を用いたものである。
【００１２】
次に、図５上段に示す試験片を用い、歪みが分布する場合の計測を行った。試験片には幅５０ｍｍ、長さ４００ｍｍ、厚さ１ｍｍのアルミニウム板を用い、両辺部に深さ１０ｍｍ長さ４０ｍｍの切り欠き部と深さ５ｍｍ長さ４０ｍｍの切り欠き部を設けた。片面にＦＢＧセンサーを接着し、その裏面に歪みゲージを接着した。歪み計測点は３０ｍｍ間隔の５点である。試験片に引張試験機にて荷重（Ｆ＝０からＦ＝227.5Ｎ，452.5Ｎ，674.4Ｎ，888.5Ｎ，1093Ｎまで）を加え、長手方向の静歪みを計測した。有限要素法による解析結果と共にＦＢＧを用いた歪み計測結果を図５下段に示す。ＦＢＧによる歪み計測結果は、歪みゲージによる計測結果と非常に良く一致し、また有限要素法による解析結果とも良く一致している。これより、本計測手法を用いることにより、歪みが分布する場合においても、離散的な歪み計測が可能であることが実証された。
このときの５連ＦＢＧからの反射光強度計測結果を図６の左上に示す。このグラフを光源波長について拡大すると右上表示のものとなり、一定周期の信号が振幅変調された形態となっていることが分かる。また、反射光強度計測結果をスペクトログラム解析したものを図６の左下に示す。この図の波線間部分を拡大したものが図８の右下に示されているが、５個のＦＢＧによって分離されている状況が観察される。
【００１３】
次にゲージ長１００ｍｍのＦＢＧセンサーを用いて歪み分布計測を行った計測結果を示す。ゲージ長１００ｍｍのＦＢＧとは１００ｍｍの区間にわたり屈折率が縞状に細かく変化するように形成された光学路である。試験片の形状は、先の５連ＦＢＧのものとほぼ同じで図７上段に示したとおりである。試験片片面の対称軸上にＦＢＧを接着し、その裏面に３０ｍｍ間隔で４個の歪みゲージを接着した。この試験片に引張試験機にて荷重を加え静歪みを計測した。有限要素法による解析結果と共に本発明のＦＢＧを用いた歪み計測結果を図７下段に示す。−２０、＋５、＋２５ｍｍ近で歪み計測値が大きく乱れていることが見て取れる。この箇所では、反射光強度が低下していることが確認されており、そのため歪みによる波長変化量が正確に計測できなかったものと解される。原因としてはＦＢＧ接着や歪みゲージ接着に起因する不均一性などが推測され、今後さらなる検討が必要であるが、ＦＢＧによる歪み計測結果は、荷重に対する線形性を保ち概ね試験片の歪み分布を計測できていることから、長いゲージ長のＦＢＧを用いた本計測手法の有効性を確認することができた。
因みにこのゲージ長１００ｍｍのＦＢＧセンサーからの反射光強度計測結果を図８の左上に示す。このグラフを光源波長について拡大すると右上表示のものとなり、やはり一定周期の信号が振幅変調された形態となっていることが分かる。また、反射光強度計測結果をスペクトログラム解析したものを図８の左下に示す。この図の波線間部分を拡大したものが図８の右下に示されているが、１００ｍｍの区間にわたり連続した変化として状況が観察される。
【産業上の利用可能性】
【００１４】
本発明は光ファイバ埋め込み型のセンサーを用いるものであり、その軽量性、強度、小さなサイズそして柔軟性といった属性から、スマート構造・材料への適用が期待されるものである。その適用先としては、前述したように航空・字宙機器の健全性評価、大型人工衛星等の柔軟構造物の振動計測などが考えられるが、それに限定されず、構造上人間が立ち入りにくい建築物や原子力施設など広い分野に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】５個のＦＢＧを離散的に配置したファイバー系からの受信反射光強度のグラフである。
【図２】５個のＦＢＧを離散的に配置したファイバー系からの受信信号のスペクトログラム解析結果を示す図である。
【図３】本発明に用いた光ファイバー系の歪み計測システムの構成を示す図である。
【図４】波長変化量と歪みゲージ出力の関係を示す図である。
【図５】５連ＦＢＧを配置した試験片とその歪み計測結果を示す図である。
【図６】５連ＦＢＧを配置した試験片からの反射光強度検出とそのスペクトログラム解析結果を示す図である。
【図７】１００ｍｍ長のＦＢＧを配置した試験片とその歪み計測結果を示す図である。
【図８】１００ｍｍ長のＦＢＧを配置した試験片からの反射光強度検出とそのスペクトログラム解析結果を示す図である。
【図９】１個のＦＢＧによるＯＦＤＲセンサー系でその測定原理を説明する図である。
【符号の説明】
【００１６】
Ｄ（Ｄ１〜Ｄ３）  光強度検出器
ＶＳ  波長可変型光源
Ｒ  全反射終端
Ｃ（Ｃ１〜Ｃ５）  カプラ
【図１】
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【図２】
2005147900.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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